电路板PCB耐热裂与无铅标准概述.doc

HYPERLINK / RoHS Lead Free对PCB之冲击 于2006年7月1日起欧盟开始实施之RoHS立法，虽然欧洲与j本PCB厂商已展开各项Lead Free制程与材料切换，并如火如荼的进行测试。但若干本土的PCB厂因主要订单在美商，基于成本的考量，仍采取观望的态度。但如果不正视此问题，一旦美系OEM、EMS大厂决定跟进，必将措手不及衍生出诸多问题，可能的冲击不可等闲视之。 ▲FR-4树脂、铜箔、焊料与背动元件彼此存在热胀系数之差异，其中树脂Z方向的热胀系数高达60ppm/℃，与其它三者差异甚大。 由于锡铅焊接之组装方式已沿用40年以上，不但可靠度佳且上至材料下至制程参数与设备均十分成熟，且过去发生的信赖性问题与因应对策已建立完整的资料库，故发生客诉时，可迅速厘清责任归属。但进入Lead Free时代，从上游材料、PCB表面处理、组装之焊料、设备等与以往大相迳庭，且大家均无使用的经验值，一旦产生问题，除责任不易归属外，后续衍生丢失订单、天价索赔的问题可能层出不穷，故不可不慎。 　Lead Free组装通用的焊料锡银铜合金（SAC），其熔点、熔焊（Reflow）温度、波焊（Wave Soldering）温度分别较锡铅合金高15℃35℃以上，几乎是目前 FR-4板材耐热的极限。再加上重工的考量，以现有板材因应无铅制程存在相当的风险。 　有监于此，美国电路板协会（IPC）乃成立基板材料之委员会，针对无铅制程的要求订定新规范。然而，无铅时代面临产业上、下游供应链的重新洗牌，委员会各成员基于其所代表公司利益的考量，不得不作若干妥协。最后协调出的版本，似乎尽能达到最低标准。因此，即使通过 IPC规范，并不代表实务面不会发生问题，使用者仍需根据自身的需求仔细研判。 以新版IPC-4101B而言，有几个重要参数： 　Tg（板材玻璃转化温度）：可分一般Tg（110℃150℃），中等Tg（150℃170℃），High Tg（＞170℃）以上三大类。 　Td（裂解温度）：乃以「热重分析法」（Thermal Gravity Analysis）将树脂加热中失重5％（Weight Loss）之温度点定义为Td。Td可判断板材之耐热性，作为是否可能产生爆板的间接指标。IPC新规范建议因应无铅焊接，一般Tg之Td ＞310℃，Mid Tg之Td＞325℃，High Tg之Td＞340℃。 ▲在组装之波焊过程，无铅焊料因过于僵硬，容易产生局部龟裂或将铜环从板面拉起造成局部扯裂的状态。 ■Z轴CTE，α1、α2 　CTE为热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）的简称。PCB在X.Y.方向受到有玻纤布的钳制，以致CTE不大，约在1215ppm/℃ 左右。但板厚Z方向在无拘束下将扩大为5560ppm/℃。Z轴CTE采「热机分析法」（Thermal Mechanical Analysis简称TMA）量测板材Tg以内的热膨胀系数（α1-CTE），及Tg以上的热膨胀系数（α2-CTE）。目前α1-CTE之上限为60ppm/℃，而α2-CTE之上限为300ppm/℃。其中α2-CTE更受重视。 　因为PCB通孔及焊垫中铜的CTE约为1618ppm/℃，与α2-CTE的差距过大容易引起通孔中孔环的断裂（Crack）、铜环自板材拉起、局部扯裂或爆板分层（De-lamination）的情况。另外，50℃260℃之Z轴整体CTE亦很重要。以IPC 4101新规范，一般Tg之Z轴CTE上限为 4％、Mid Tg为3.5％、High Tg则为3％。 ■耐热裂时间（T260、T288、T300） 　乃是以TMA法将板材逐步加热到260℃、288℃，或300℃之定点温度，然后观察板材在此强热环境中，能够抵抗Z轴膨胀多久而不致裂开，此种忍耐时间即定义为「耐裂时间」。目前新版IPC暂定一般Tg：T260为30分钟、T288为5分钟，Mid Tg：T260为30分钟、T288为5分钟，High Tg：T260为30分钟、T288为15分钟、T300为2分钟。 　过去一般人的认知，材料的耐热性往往以Tg为指标，Tg愈高则耐热性愈佳。不少OEM、ODM的设计工程师亦陷入此迷思。事实上，此观念不尽正确。因为传统的FR-4基材乃以Dicy当硬化剂，而Dicy因含极性，其吸湿性高，虽然Tg高其耐热性未必良好。 ▲由传统FR-4板材制作的多层板，因不耐高温热冲击，产生树脂与铜箔分离的现象，俗称分层或爆板。 　而针对无铅制程开发的基材，因不使用Dicy作硬化剂，虽然一般或中等Tg亦可达到甚佳的耐热效果。因此，研判耐热性的好坏，以Td及耐热裂时间（T260、T288、T300）较Tg更为贴切。 　除此之外，由于PCB及铜箔基板之绝缘层由树脂与玻璃